Sis a.a. 2005/2006
Laboratorio di fisica nucleare
Prof. Maina
“La fissione nucleare”
Burzio Flavio – Gramaglia Paola
Aspetti didattici
Contesto
Classe quinta di un liceo scientifico o scientifico-tecnologico
Prerequisiti
 Elettromagnetismo
 Relatività: concetto relativistico di massa
Obiettivi
 Conoscere le caratteristiche dei nuclei degli atomi e saper
descrivere il processo di fissione
 Saper leggere e interpretare i grafici proposti
 Conoscere le unità di misura dell’energia e saper confrontare gli
ordini di grandezza
Proprietà dei nuclei
Particella
Massa
Carica
Protone
1,672  10 27 kg
1,602  10 19 C
Neutrone
1,674  10 27 kg
privo di carica
Elettrone
9,109  10 31 kg
 1,602  10 19 C
N
numero di neutroni contenuti nel nucleo
Z
numero di protoni del nucleo (numero atomico)
A = N + Z numero totale di nucleoni (numero di massa del
nucleo)
Relazione tra N e Z
N
 per valori piccoli di Z:
N=Z
 per valori grandi di Z:
discostamento tra N e Z
Z
Spettrometro di massa
Misurazione della massa dell’atomo
Difetto di massa
Esercizio
Massa e difetto di massa calcolate per l’isotopo
Neutrone
12
6
C
Protone + elettrone
m n  1,675  10 27 kg
Massa attesa per l’atomo di
m pe  m H  1,673  10 27 kg
12
6
C :
6  m n  6  m H  20,088  10 27 kg
12
Massa del 6 C trovata con lo spettrometro di massa:
mspettrometro  19,920  10 27 kg
Difetto di massa Δm totale del
12
6
C : m  0,17  10 27 kg
Difetto di massa medio m / A per ogni nucleone:
m
 0,014  10  27 kg
12
Energia di legame
Difetto di massa:
Δm  Z  m H  N  m n  m spettrometro
Energia di legame al nucleone:
E L  Δm / A   c 2
Unità di misura, fattore di conversione da Joule ad elettronvolt:
1
18
12
1J 
eV

6
,
25

10
eV

6
,
25

10
MeV
19
1,6  10
Esercizio
Energia di legame totale e al nucleone per il carbonio
12
6
C
Energia di legame totale:
E Tot  Δm  c 2  0,17  10 27  9  1016 J  1,53  10 11 J  96 MeV
Energia di legame media per nucleone: E L 
E Tot
 8 MeV
12
Dipendenza tra l’energia di legame
e il numero di massa
Rappresentazione intuitiva dell’energia di legame
2
1
H
7
3
Li
Fissione nucleare
 La fissione è il processo consistente nella scissione di un
nucleo pesante in due nuclei più leggeri
 I nuclei pesanti, Z  92 , sono soggetti a fissione spontanea:
si scindono in due nuclei anche se sono lasciati a se stessi in
assenza di perturbazioni esterne
 Alcuni nuclei pesanti, in particolare l’uranio e il plutonio,
possono venire indotti a subire la fissione dalla cattura di un
neutrone
Fissione dell’uranio
Modello a goccia
235
236
U
Assorbimento di un neutrone da parte di
Stato eccitato dell’
U
236
U
236
235
U
U
Oscillazione instabile dell’
236
U
Scissione in due nuclei di massa
intermedia ed emissione di alcuni
neutroni
Fissione dell’uranio
Nucleo bersaglio
Energia critica
Energia di eccitazione
235
U
5,3 MeV
6,4 MeV
238
U
5,9 MeV
5,2 MeV
Esercizio
Energia di eccitazione del nucleo di
Massa totale del nucleo di
Massa del nucleo di
236
U,
235
U
235
U
quando cattura un neutrone
+ neutrone:
non eccitato:
m1  391,848  10 27 kg
m 2  391,836  10 27 kg
Differenza di massa: m1  m 2  0,012  10 27 kg
Corrispondente eccesso di energia: m1  m 2 c 2  6,4 MeV
Frammenti di fissione dell’uranio
Un nucleo che subisce la fissione può scindersi in molti modi
diversi in due frammenti di masse intermedie ed è maggiormente
probabile che i due frammenti, originati dalla scissione di , siano di
masse disuguali
Tipica reazione di fissione dell’uranio
n  235 U  141Ba  92 Kr  3n
Secondo la particolare reazione, possono venire emessi 1, 2 o 3
neutroni
Il numero medio di neutroni emessi nella fissione di è circa 2,5
Energia prodotta nella fissione
Esercizio
Energia termica che si sviluppa durante il processo di fissione
Difetto di massa dell’uranio: m(235U)  92  mH  143  mn  mspettrometro  1,915u
Energia di legame totale dell’uranio: m235 U c2  1783 MeV
Difetto di massa del bario : m(141Ba )  56  mH  85  mn  mspettrometro  1,261u
Energia di legame totale del bario:

m
141

Ba  c 2  1175 MeV
Difetto di massa del cripto : m(92 Kr)  36  mH  56  mn  mspettrometro  0,875u

Energia di legame totale del cripto : m
92

Kr  c 2  815 MeV
Energia totale prodotta nella fissione: (1175  815  1783) MeV  207 MeV
Confronto energetico
In generale l’energia liberata in una fissione è di circa 200 MeV
Energia liberata dalla fissione di 1 g di uranio: 104 kWh  2,3 1023 MeV
Energia liberata nella combustione di 1 g di carbonio:
9 10 3 kWh  2 1017 MeV
L’energia prodotta nella fissione dell’uranio è circa
maggiore rispetto alla combustione
10 6
volte